淺談D類音頻放大器論文

　　摘 要：對于A類、B類、AB類、C類音頻放大器已是熟知的東西，但對于D類、音頻放大器的認(rèn)識則誤區(qū)甚多， 以至于指鹿為馬的事情頻繁發(fā)生，因而正確了解放大器的本質(zhì)至關(guān)重要。本文就是對D類音頻放大器的一次比較系統(tǒng)的綜述。

　　關(guān)鍵詞：D類放大器

　　引言：

　　音頻放大器已經(jīng)有將近一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最早的電子放大器問世后最先的應(yīng)用就是音頻放大器。直到現(xiàn)在，各種各樣的音頻放大器還在不斷地更新、發(fā)展、前進(jìn)。進(jìn)入21世界以來，各種便攜式電子設(shè)備成為新的潮流。從作為通訊工具的手機(jī)，到作為娛樂設(shè)備的MP3/MP4播放器，以及將要普及的便攜式電視機(jī)等等，所有的這些電子設(shè)備都需要有音頻放大器，而且，由于它們都是用電池供電的，必須十分節(jié)電才可能獲得較長的電池續(xù)航時(shí)間。為滿足這種需求，高效率的D類放大器被開發(fā)出來了。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低失真的情況下得到最高的效率。

　　傳統(tǒng)的D類放大器的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。隨著移動音頻設(shè)備的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的模擬線性放大器已不能滿足大功率輸出同時(shí)發(fā)熱量少的要求,而D類放大器能克服以上缺點(diǎn),但其引入的失真通常大于線性放大器,研究適合的控制方法以改善D類放大器的保真度,是近年來聲學(xué)技術(shù)和音頻功率放大領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。高頻率的音頻放大器不只是在便攜式設(shè)備中需要，而且在大功率的電子設(shè)備中也需要。例如在高保真音響設(shè)備和高檔家庭影院設(shè)備中，往往需要幾十瓦到幾百瓦的音頻功率。這些設(shè)備也可以成為低失真、高頻率的D類放大器的用武之地。

　　一、D類放大器的基本原理

　　D類放大器也有人稱之為“數(shù)字音頻放大器”。這個(gè)名稱似乎更為恰當(dāng)，因?yàn)橛幸环ND類放大器可以接收數(shù)字信號而無需再進(jìn)行D/A變換了。D類放大器所采用的技術(shù)是脈寬調(diào)制技術(shù)PWM，這種技術(shù)的基本點(diǎn)是把模擬音頻信號的幅度調(diào)制成一系列矩形脈沖的寬度，使模擬音頻信號變成一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號。原來的模擬信號并非包含在這個(gè)脈沖信號的幅度中，而是包含在它的寬度中。在無信號時(shí)，輸入信號為對稱方波。因而若在放大的時(shí)候，幅度上產(chǎn)生失真并不會使原來的音頻信號產(chǎn)生失真。在開關(guān)狀態(tài)下工作的晶體管的效率是很高的：在完全導(dǎo)通狀態(tài)下，晶體管的電流很大但是壓降很小(由其飽和電阻決定)；而在截止?fàn)顟B(tài)下，加在晶體管上的電壓很高，但是流過晶體管的電流很小(只是其漏電流而已)。在這兩種狀態(tài)下，晶體管的功率耗散都非常低，所以非常節(jié)電。此外還可以使晶體管在沒有音頻信號時(shí)完全工作在截止?fàn)顟B(tài)，這樣效率就更高。通常為了不失真地放大最高頻率分量為20kHz的音頻信號，該三角波的重復(fù)頻率最好在250kHz以上， 以減小對于輸出濾波的要求。當(dāng)這個(gè)等幅矩形波的幅度被放大以后，還要還原成原來的音頻信號，這時(shí)，只需要通過一個(gè)低通濾波器濾掉不需要的高頻分量就即可。

　　二、D類放大器的效率

　　和通常采用的AB類放大器相比，D類放大器有很高的效率。而且，D類放大器可以在很小的輸出功率時(shí)就可以達(dá)到很高的效率，或者說D類放大器的效率和輸入信號的大小無關(guān)，而不像在AB類放大器中只有在很高的輸出功率時(shí)才能達(dá)到比較高的效率。

　　D類放大器之所以能夠獲得很高的效率，是因?yàn)樗�的輸出級完全工作于開關(guān)狀態(tài)。對于理想的開關(guān)，它的效率可以達(dá)到100％。但因?yàn)榫�體管并不是一個(gè)理想的開關(guān)，所以在截止時(shí)電阻并沒有到無限大，而在導(dǎo)通時(shí)其電阻也不會為零。由于其負(fù)載揚(yáng)聲器的電阻很低，晶體管的漏電流又很小，所以在截止時(shí)晶體管的損耗可以忽略不計(jì)。因而只要考慮在晶體管導(dǎo)通時(shí)的損耗。

　　三、D類放大器的失真

　　放大器的失真主要有三種：線性失真、非線性失真和雜訊。線性圖10典型的THD+N和輸出功率的關(guān)系失真不會產(chǎn)生高次諧波，而只是改變信號中各個(gè)分量的相對大小和時(shí)間關(guān)系，于人耳的聽感影響不是很大；非線性失真則會產(chǎn)生原始信號中所沒有的頻率分量，對人耳聽感的影響感比較大；雜訊更是會讓人產(chǎn)生不舒服的感覺。然而，雜訊常常是在前端信號電平比較低的時(shí)候產(chǎn)生，而D類放大器通常都是功率放大器，因而，雜訊的影響可以忽略。因此，在D類放大器中，最重要的失真就是非線性失真。非線性失真通常是用總諧波失真THD來表示。THD的測量方式是采用所產(chǎn)生出來的新的頻率分量的幅度的總數(shù)來進(jìn)行測算的。很多時(shí)候這樣的新的頻率分量一般是輸入信號的諧波。所謂的偶此諧波就是偶倍數(shù)的諧波。奇次諧波指的就是奇倍數(shù)的諧波。對那些推挽或者是平衡電路來說，它們之間是相互對稱的，因此不大會產(chǎn)生偶次諧波出來，所產(chǎn)生的大多是奇次諧波。在THD當(dāng)中各次諧波的總和是采用其幾何的總和，指的就是各次諧波幅度平方和的開方值。例如：若二次諧波的幅度為4，三次諧波幅度也是4，那么其幾何和為5．66(32的開方值)。若還要考慮雜訊的話，那么我們就用TED+N(其中N為雜訊)來表示。D類放大器由于其雜訊比較大些，所以其THD十N的值要大于THD的值。D類放大器的失真主要是由以下因素所引起：

　　1.采樣時(shí)的脈寬誤差和量化誤差；

　　2.驅(qū)動管的死區(qū)和延時(shí)；

　　3.功放管的導(dǎo)通時(shí)間和體二極體恢復(fù)；

　　4.輸出濾波電感和電容的非線性。

　　通常，D類放大器的TED是和輸出功率的大小有關(guān)，輸出功率越大，其失真也跟著增大。

　　四、D類放大器的頻率響應(yīng)

　　D類放大器可以得到很好的頻率響應(yīng)。只要用于采樣的三角波重復(fù)頻率比音頻信號的最高頻率分量的頻率高10倍以上就可以。所以，用250Hz三角波的D類放大器很容易得到超過20kHz的頻率響應(yīng)。

　　五、D類放大器的電源抑制比(PSSR)

　　所謂電源抑制比(PSSR)就是指電源的變化反映到輸出的變化之比。在線性放大器中，放大器的增益幾乎完全和電源電壓的變化無關(guān)。在D類放大器中情況就完全不同了。放大器的輸出盲榜和電源電壓有關(guān)。也可以說放大器的增益和電源電壓成正比。這時(shí)候它的PSSR就等于0dB。為了提高放大器的PSSR，通�？梢圆捎秘�(fù)反饋的方法。采用負(fù)反饋以后，通常可以把PSSR提高到70dB以上。

　　六、D類放大器的應(yīng)用

　　D類放大器的應(yīng)用十分廣泛，總的來說，只要是有進(jìn)行音頻放大需要的場合，都能運(yùn)用到D類放大器。因此，從最初的電話機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備，直至到現(xiàn)代的手機(jī)、MP3播放機(jī)、LCD電視機(jī)、電腦音響都可以采用D類放大器。然而和現(xiàn)代的模擬音頻放大器                相比，D類放大器目前的價(jià)格還略為高些。

　　因?yàn)镈類放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、節(jié)電。對于它來說使用干電池比較合適。如：手機(jī)、筆記本電腦、攜帶型DVD播放機(jī)等。這些設(shè)備在采用了D類放大器同時(shí)也大大延長電池的壽命。其它如大功率的音響設(shè)備， 因?yàn)楹碾姾艽螅�所以也是非常需要采用高效率的D類放大器。

　　結(jié)語

　　總體來說，D類放大器經(jīng)過了近些年來的發(fā)展，已經(jīng)成功地運(yùn)用到了手機(jī)及一般便攜式產(chǎn)品中。D類放大器今后的發(fā)展會取代普通的AB類產(chǎn)品，高級D類放大器的可選擇的范圍正在不斷擴(kuò)大，使得各種消費(fèi)類終端設(shè)備(如平扳顯示器、PDA、智能電話、移動電話、汽車無線電等)的設(shè)計(jì)者可以提高產(chǎn)品的功率性能，同時(shí)保持甚至減小產(chǎn)品體積和成本。D類放大器時(shí)代的到來使設(shè)計(jì)人員能夠在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)高性能音頻，給消費(fèi)者帶來更好的體驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　吳忠智，吳加林.中(高)壓大功率變頻器應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.11

　　丁明.實(shí)作D類功率放大器.無線電與電視,2002(2):29-32.

　　韓憲柱.數(shù)字音頻技術(shù)及應(yīng)用.北京:中國廣播電視出版社

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